Le travail de cette thèse a consisté à concevoir, réaliser et optimiser un montage expérimental de Polarisation Dynamique Nucléaire multi-échantillons pour des applications biomédicales en Imagerie Spectroscopique par Résonance Magnétique. Ce montage est constitué d'un aimant à fort champ magnétique (3,35T), dans lequel se place un système cryogénique à bain d'hélium (He4) liquide pompé pouvant atteindre des températures inférieures à 1,2K. Un ensemble d'inserts permet d'effectuer les différentes étapes du processus PDN dont l'irradiation des échantillons par un champ micro-onde (f=94GHz et P=50mW) et le suivi de leur polarisation par Résonance Magnétique Nucléaire. Ce système permet de polariser jusqu'à trois échantillons, de volume proche de 1mL, à des taux de polarisation de quelques pourcents. Il présente une forte autonomie supérieure à quatre heures, autorisant ainsi la polarisation de molécules à longues constantes de temps de polarisation. La possibilité de disposer quasi-simultanément, après dissolution, de plusieurs échantillons fortement polarisés ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale

L'apport de sédiments fins au cours d'eau est un phénomène naturel mais qui sous les effets de l'anthropisation peut devenir excessif et conduire à perturber le fonctionnement de l'hydrosystème. Cet apport excessif provoque le colmatage du lit des rivières et peut perturber les échanges hydriques, les processus biogéochimiques et les communautés d'invertébrés benthiques et hyporhéiques. D'un point de vue méthodologique, la mesure de la conductivité hydraulique dans le substrat permet d'obtenir une image du niveau de colmatage de la zone hyporhéique et le pompage Bou Rouch permet d'étudier qualitativement la faune hyporhéique. D'un point de vue biologique, les effets du colmatage sont un peu plus importants pour l'hyporhéos que pour le benthos notamment au niveau de la richesse taxonomique, des assemblages faunistiques et des traits biologiques

Le développement des technologies de communication et de l'information nécessite des composants semi-conducteurs ultrarapides et à faible niveau de bruit. Les transistors bipolaires à hétérojonction (TBH) sont des dispositifs qui visent des applications à hautes fréquences et qui peuvent satisfaire ces conditions. L'objet de cette thèse est l'étude expérimentale et la modélisation du bruit haute fréquence des TBH Si/SiGe:C (technologie STMicroelectronics) et InP/InGaAs (III-V Lab Alcatel-Thales).Accompagné d'un état de l'art des performances dynamiques des différentes technologies de TBH, le chapitre I rappelle brièvement le fonctionnement et la caractérisation des TBH en régime statique et dynamique. La première partie du chapitre II donne la description des deux types de TBH, avec l'analyse des performances dynamiques et statiques en fonction des variations technologiques de ceux-ci (composition de la base du TBH SiGe:C, réduction des dimensions latérales du TBH InGaAs). Avec l'aide d'une modélisation hydrodynamique, la seconde partie montre l'avantage d'une composition en germanium de 15-25% dans la base du TBH SiGe pour atteindre les meilleurs performances dynamiques. Le chapitre III synthétise des analyses statiques et dynamiques réalisées à basse température permettant de déterminer le poids relatif des temps de transit et des temps de charge dans la limitation des performances des TBH. L'analyse expérimentale et la modélisation analytique du bruit haute fréquence des deux types de TBH sont présentées en chapitre IV. La modélisation permet de mettre en évidence l'influence de la défocalisation du courant, de l'auto-échauffement, de la nature de l'hétérojonction base-émetteur sur le bruit haute fréquence. Une estimation des performances en bruit à basse température des deux types de TBH est obtenues avec les modèles électriques.

Le travail de cette thèse a consisté à concevoir, réaliser et optimiser un montage expérimental de Polarisation Dynamique Nucléaire multi-échantillons pour des applications biomédicales en Imagerie Spectroscopique par Résonance Magnétique. Ce montage est constitué d'un aimant à fort champ magnétique (3,35T), dans lequel se place un système cryog&nique à bain d'hélium (He4) liquide pompé pouvant atteindre des températures infèrieures à 1,2K. Un ensemble d'inserts permet d'effectuer les différentes étapes du processus PDN dont l'irradiation des échantillons par un champ micro-onde (f=94GHz et P=50mW) et le suivi de leur polarisation par Résonance Magnétique Nucléaire. Ce système permet de polariser jusqu'à trois échantillons, de volume proche de 1mL, à des taux de polarisation de quelques pourcents. Il présente une forte autonomie supérieure à quatre heures, autorisant ainsi la polarisation de molécules à longues constantes de temps de polarisation. La possibilité de disposer quasi-simultanèment, après dissolution, de plusieurs échantillons fortement polarisés ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale.

Dans ce travail, un moteur Stirling de type Gamma alimenté par énergie solaire avec une faible différence de température a été étudié numériquement et expérimentalement. Un nouveau modèle appelé Polytropic Stirling Model with Losses (PSML) a été proposé et appliqué au moteur GPU-3 Stirling. Un cryoréfrigérateur basé sur un moteur Stirling intégral de type Alpha a été étudié numériquement, après avoir mesuré ses dimensions géométriques au laboratoire. Pour le moteur Stirling de type gamma du laboratoire, le modèle ait thermodynamique à vitesse finie et le modèle isotherme a été développé, incluant les bilans de masse et d’énergie à travers les différents volumes (compression, régénération et expansion) dans le moteur. Différents types de pertes thermiques et mécaniques ont été considérés dans le modèle afin d'analyser les processus thermodynamiques et les pertes dans le moteur Stirling. En outre, des études paramétriques sur les performances du moteur Stirling alimenté à l’énergie solaire ont également été étudiées expérimentalement et numériquement. La comparaison entre les résultats expérimentaux et les résultats de simulation à différents déphasages entre le déplaceur et le piston, et à différentes course de piston montre que le modèle est convaincant dans la prédiction des performances du moteur Stirling. Basé sur la méthode thermodynamique en dimension physique finie, une méthode d’algorithme génétique multi-objectives, objectifs étant la puissance fournie, le rendement énergétique et le taux de génération d'entropie a été utilisé pour optimiser la fonction et la géométrie du moteur du type Gamma. En comparant avec la méthode d'optimisation écologique, la méthode multi-objectif permet de mieux équilibrer les trois objectifs. Le nouveau modèle (PSML) proposé pour prédire les performances du moteur de type Bêta ou Gamma du moteur Stirling, il divise l'espace de travail en 5 parties (volume de compression, refroidisseur, régénérateur, chauffage et volume d'extension). Une liaison entre volume de compression et volume d'extension a été ajoutée dans le modèle adiabatique classique du moteur Stirling. Ainsi, des processus polytropiques ont été considérés dans les volumes de compression et d'expansion du moteur Stirling. Le moteur Stirling GPU-3 a été utilisé pour valider le nouveau modèle. Il a été démontré que le nouveau modèle (PSML) prédit correctement la puissance de sortie et le rendement du moteur. Dans la dernière partie de la thèse, un Cryorefroidisseur Stirling de type Alpha, a été étudié en utilisant un modèle isotherme prenant en considération différentes pertes. Les volumes de compression et d'expansion sont considérés isothermes, et la variation de la température du régénérateur est considéré linéaire. Les bilans d'énergie et d'exergie du Cryorefroidisseur ont été réalisés, et l'effet de divers paramètres sur la performance (puissance de refroidissement et puissance mécanique consommée) est étudié. Les résultats de la simulation pour PPG-102 Stirling cryocooler ont été comparés avec deux autres résultats de simulation de la littérature et des résultats expérimentaux indiquant que ce modèle est convaincant pour prédire la performance du Cryorefroidisseur. / In this work a solar powered low temperature difference Gamma type Stirling engine has been studied experimentally and numerically using an isothermal model coupled with various losses and using an objective optimization. A new model named Polytropic Stirling Model with Losses (PSML) has been proposed which was applied to the Beta type GPU-3 Stirling engine. An Alpha type integral Stirling cryocooler has been studied numerically using an isothermal model with losses. To study a Gamma type Stirling engine of our laboratory, an isothermal model coupled with finite speed method has been developed, including mass and energy balances through different spaces of the engine. The engine is divided into 3 volumes: compression volume, regeneration volume, and expansion volume. Different kind of thermal and mechanical losses have been considered in the model, in order to analyze thermodynamic processes and losses in the Stirling Engine. In addition, parameter effects on the performance of the solar powered gamma type Stirling engine have also been studied experimentally and numerically. The comparison between the experimental results and the simulation results at different phase shift between the displacer and the piston, and at different piston stroke shows that the model is convincing to predict the Stirling engine performance. Based on the Finite Physical Dimensional Thermodynamic method, a multi-objective genetic method considering output power, thermal efficiency and entropy generating rate as objective functions simultaneously, has been used to multi-objective optimize the Gamma type Stirling engine. Comparing with the ecological optimization method, the multi-objective method can better balance the three objective goals. The new model (PSML) proposed in the thesis for predicting performance of Beta or Gamma type of Stirling engine divides the working space into 5 parts (compression volume, cooler, regenerator, heater, and expansion volume). A bypass linking compression volume and expansion volume has been added in the classic adiabatic model of Stirling engine. Thus, polytropic processes have been considered in the compression and expansion volumes of the Stirling engine. The GPU-3 Stirling engine has been used to validate the new model. It was shown that the new model (PSML) predict well the output power and the thermal efficiency of the engine well. An isothermal model considering various losses was developed and presented in the last part of this thesis to study an Alpha type Stirling cryocooler, whose geometrical dimensions were measured in our laboratory. The compression and expansion volumes are supposed to be isothermal, the variation of the regenerator temperature is supposed to be linear. Energy and exergy balances of the cryocooler were developed. The effect of various parameters on the cryocooler performance (cooling power and input power) are investigated. The simulation results for PPG-102 Stirling cryocooler were compared with two other simulation results of the literature and with experimental results which indicated that this model is convincing to predict the performance of the Stirling cyocooler

L’objectif de cette thèse est d’étudier l’initiation directe et la propagation d’une détonation dans un milieu cryogénique diphasique GH2-LOx dans le cadre général des moteurs à onde de détonation pour la propulsion spatiale. Un rappel des bases théoriques sur les processus d’atomisation d’un jet liquide, puis sur la détonation en phase gazeuse, et enfin sur la détonation dans un mélange diphasique, constituent le premier chapitre de la thèse. Le deuxième chapitre présente les dispositifs expérimentaux et les techniques utilisés pour mener à bien les expériences de caractérisation du jet diphasique et d’étude de la détonation. Le troisième chapitre est consacré à l’étude dans un tube en quartz de la granulométrie d’un jet diphasique GHe-LOx non réactif. Une cartographie est ainsi réalisée sur l’ensemble du tube, pour différents débits d’injection. Ces résultats sont corroborés par une étude théorique sur une goutte isolée et par une étude numérique sur le comportement du jet en champ proche de l’injecteur. Le quatrième chapitre présente les résultats de l’étude de la détonation dans un tube en acier d’un mélange réactif GH2-LOx. La détonation est étudiée en fonction de divers paramètres : énergie d’initiation stockée, emplacement du dispositif d’initiation par étincelle, richesse globale du mélange. La célérité et la pression de détonation, ainsi que la structure tridimensionnelle de la détonation, sont les principales informations recueillies pour l’étude du phénomène de détonation en mélange diphasique. Une étude théorique des caractéristiques de la détonation apporte des éclairages supplémentaires sur la détonation à très basse température (100 K). / Within the general framework of detonation engines for space propulsion purpose, this work aims to study direct initiation and propagation of detonation in a cryogenic twophase GH2-LO2 mixture. First chapter is constituted by theoretical basis and state of art on atomization processes in liquid jets, then on gas-phase detonation, and finally on two-phase detonation. Second chapter describes experimental set-up and associate techniques in order to carry out two-phase jet characterization and detonation study. Third chapter is dedicated to the study of droplet size distribution of non reactive two-phase GHe-LO2 jet in a quartz tube. Thus, a droplet size map is constituted through the whole tube, for different helium injection speeds. These results are compared with theoretical study dealing with vaporization and movement of a droplet and with numerical simulations on jet behavior close to the injector. Fourth chapter presents results of a detonation study of a reactive GH2-LO2 two-phase mixture in a semi-open tube. Detonation is studied as a function of following parameters: initiation energy, spark initiation device location along the tube, global equivalence ratio. Velocity, peak pressure and three-dimension structure detonation are the main data collected to study two-phase detonation phenomena. A theoretical study of detonation characteristics brings additional information on detonation at low temperature (100 K).

L’objectif est d’améliorer la connaissance des écoulements de films minces se développant au sein des colonnes servant à distiller les gaz de l’air sous conditions cryogéniques. Ce travail porte sur la caractérisation expérimentale de l’épaisseur du film liquide dans des conditions hydrodynamiques proches de celles rencontrées dans l’industrie. Tout d’abord, ce travail a permis de déterminer les conditions opératoires permettant la réalisation d’écoulement en similitude hydrodynamique avec les écoulements cryogéniques mais à température et pression proches de l’ambiant. Ensuite, un dispositif expérimental a ensuite été développé afin de permettre la réalisation d’écoulement de film liquide avec et sans contre-courant gaz sur plan incliné. Une métrologie optique utilisant un procédé de fluorescence a été développée et calibrée afin de mesurer des épaisseurs de films minces inférieures à 2 mm. Pour finir, l’étude expérimentale a permis de caractériser l’écoulement du film mince par l’étude statistique de son épaisseur, l’étude des régimes d’ondes de surface ainsi que son aire interfaciale. / The aim of this study is to get a better knowledge of thin film flow inside column used to distil the gases of air under cryogenic conditions. Experimental characterisation of the liquid film thickness submitted to hydrodynamic conditions similar to those found in real processes is investigated in this work. First, operating conditions were defined that allow thin film flow in hydrodynamic similitude with cryogenic flows but under conditions close to standard temperature and pression. Then, an experimental setup was designed in order to realize liquid film flows down an inclined plate with and without counter-current air flow. An optical technique using fluorescence was built and calibrated in order to measure the thickness of liquid film up to 2 mm. Finally, thin liquid film flow characteristics were experimentally studied with special attention given to the statistical variation of film thickness, interfacial wave patterns and interfacial area.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur le développement de références de fréquence optique, ou lasers ultra-stables. Ceux-ci sont obtenus en asservissant la fréquence d’un laser sur une cavité Fabry-Perot de haute finesse. Un premier laser est asservi sur une cavité commerciale en verre ULE et une stabilité relative de fréquence de 1; 9x 10-15 est obtenue à1 s. Ce signal optique est transféré dans le domaine des fréquences micro-ondes par un laser femto-seconde.Le signal obtenu à10 GHz dispose d’un bruit de phase de -104 dBc=Hz à1 Hz. Dans un second temps, une cavité ultra-compacte de 25 mm est développée. Des simulations par éléments finispoussées ont conduit à la fabrication d’une nouvelle géométrie de cavité, dotée de coefficients de sensibilité accélérométriques simulés inférieurs à10-12=(m=s2) selon toutes les directions. Une enceinte à vide compacte, munie d’un banc optique embarqué, a été réalisée de façon à limiter le volume du système complet à environ 40 L. Enfin, une cavité cryogénique en silicium a été conçue. Régulée à une température de 17 K, elle sera limitée par son bruit thermique à un palier de stabilité relative de fréquence de 3x10-17. Un cryogénérateur à faibles vibrations est utilisé pour atteindre cette température. Des modélisations par éléments finis de la cavité ont permis d’obtenir une sensibilité accélérométrique simulée de 4:5 x10-12=(m=s2). / The work described in this document deals with optical frequency references, or ultrastable lasers. They are obtained from the frequency locking of a laser on a high finesse Fabry-Perot cavity. A first laser is stabilized on a commercial ULE Fabry-Perot cavity and exhibits a 1:9 x10-15 fractional frequency instability at 1 s. A femtosecond laser is phased lock to this ultrastable laser and allows generating an ultra-pure microwave signal. At 10 GHz, the signal exhibits a -104 dBc/Hz phase noise at 1 Hz. In a second project, we design a 25 mm ultra-compact cavity. Extensive finite element modeling led to a new spacer geometry, with simulated acceleration sensitivities below 10-12=(m=s2) in all directions. A compact vacuum chamber with embedded optical set-up has been developed to reduce the size of the system. Finally, a cryogenic silicon cavity has been designed. It will be cooled down to 17 K. At this temperature, its thermal noise would limit its fractional frequency instability to3 x 10-17. A low vibration cryogenerator is used to reach this temperature. Finite element modeling led to 4:5x 10-12=(m=s2) acceleration sensitivity.

Les propriétés optiques de nanotubes de carbone sont décrites idéalement parla physique d’un objet unidimensionnel, donnant lieu notamment à l’apparition des excitons pour décrire les transitions optiques de ces objets. Les expériences d’optique(émission, absorption) réalisées sur ces objets à température ambiante et sur des ensemble d’objets ont permis de confirmer les prédictions théoriques basées sur la physique des objets 1D. Mais à température cryogénique et à l’échelle de l’objet unique,les propriétés optiques observées expérimentalement sont systématiquement très éloignées de celles d’un objet 1D. On peut notamment citer l’apparition de propriétés comme l’émission de photons uniques, qui a largement contribué à l’intensification de la recherche sur ces objets pour des applications en photonique quantique. Ces propriétés sont attribuées à la localisation des excitons le long de l’axe des nanotubes dans des puits de potentiel créés aléatoirement par l’interaction des nanotubes avec leur environnement. Les propriétés optiques sont alors proches de celles des objets0D, et sont fortement modulées par l’environnement. Les mécanismes et l’origine de la localisation et la connaissance physique de ces puits sont encore très limités. Ce travail montre d’une part le développement d’une technique d’absorption sur objet individuel et la caractérisation de sa sensibilité, et d’autre part l’étude statistique de l’émission de nanotubes à température cryogénique. Les résultats obtenus par une technique de super-résolution couplée à une imagerie hyper-spectrale montrent les grandeurs caractéristiques des puits de potentiels au sein de nanotubes individuels.Un dispositif expérimental de photoluminescence résolue en excitation implémenté au cours de ce travail a également montré une modification de l’état excitonique fondamental par l’environnement, avec l’apparition d’une discrétisation spatiale et spectrale de l’état fondamental délocalisé en une multitude d’états localisés. / The optical properties of carbon nanotubes are ideally described by the physicsof a one-dimensional object, giving rise in particular to the emergence of excitons todescribe the optical transitions of these objects. The optical experiments (emission,absorption) carried out on these objects at ambient temperature and on ensemblesconfirm the theoretical predictions based on the physics of 1D objects. But atcryogenic temperature and at the single emitter scale, the optical properties observedexperimentally are systematically different from those of a 1D object. One can citethe emergence of properties such as photon antibunching, which largely contributed tothe intensification of research on these objects for applications in quantum photonics.These properties are attributed to the localization of excitons along the nanotube axisin local potential wells (traps) created randomly by the interaction of nanotubes withtheir environment. The optical properties are then close to those of 0D objects, andare strongly modulated by the environment. The mechanisms and the origin of thelocalization and the physical knowledge of these traps are still very limited. This workshows on the one hand the development of an absorption setup on individual objectand the characterization of its sensitivity, and on the other hand the statistical studyof the emission of nanotubes at cryogenic temperature in a micro-photoluminescencesetup. The results obtained in the later setup by a super-resolution technique coupledwith hyper-spectral imaging show the characteristic quantities of potential wellswithin individual nanotubes. An experimental excitation-resolved photoluminescencesetup implemented during this work also showed a modification of the fundamentalexcitonic state by the environment, with the emergence of a spatial and spectraldiscretization of the delocalized ground state in a multitude of localized states.

Rapporté à la tonne de fret, le trafic maritime est un mode de transport relativement « propre ». Néanmoins, par l’intensification des échanges mondiaux, sa part dans les émissions de Gaz à Effet de Serre (GES) au niveau mondial est appelée à augmenter. Conscients des effets néfastes associés aux GES, les pays membres des nations unies, via l’organisation maritime internationale, imposent le cadre réglementaire pour que ce secteur, vital dans une économie mondialisée, demeure écologiquement acceptable. Des objectifs ambitieux sont établis à court (2020) et moyen terme (2050). Or, d’après l’hypothèse faible de Porter, fixer des objectifs environnementaux sans imposer les moyens à mettre en oeuvre favorise l’innovation. Aussi, dans l’industrie du « shipping », les solutions fleurissent au premier rang desquelles figure l’emploi du Gaz Naturel Liquéfié (GNL) en tant que combustible. D’un point de vue thermodynamique, les inévitables infiltrations thermiques à travers les parois des réservoirs cryogéniques entraînent une variation de la pression dans le réservoir et des fluctuations de la qualité du gaz à l’admission moteur. Selon le schéma d’exploitation navire, ces deux phénomènes impactent significativement la pertinence de l’option GNL. En réponse, cette thèse propose un ensemble de modèles 0D pour, à partir d’un profil opérationnel, évaluer :1. l’évolution de la pression dans les réservoirs ;2. l’évolution de la qualité du gaz à l’admission moteur.Dans une première partie, des modèles sont proposés pour simuler les infiltrations thermiques à travers le réservoir, l’évaporation du GNL, son vieillissement (altération des propriétés du gaz par évaporation différenciée des composés) et l’évolution du taux de méthane à l’admission moteur. Puis, les modèles sont assemblés à travers une étude de cas apportée par un acteur du transport maritime. / In proportion to the ton of cargo, shipping is a relatively “clean” transportation mode. Nevertheless, due to global trade intensification, its share in the global greenhouse gas (GHG) emissions should increase. Aware that GHG adverse effects are a major concern for humanity, united nation member states impose, via the international maritime organization, a regulatory framework so that this vital sector in a global economy remains sustainable. Short (2020) and medium (2050)-term goals are set. According to the weak version of Porter’s hypothesis, strict environmental regulations encourage innovations. Hence, in the shipping industry solutions flourish among which the use of Liquefied Natural Gas (LNG) as a fuel. On a thermodynamic basis, the unavoidable heat leaks into the cryogenic tanks cause variations of the tank pressure and the natural gas quality at engine inlet. Depending on the ship’s operational profile, those two phenomena will impact significantly the LNG as a fuel option relevance. One major bottleneck slowing the uptake of LNG as a marine fuel is the lack of methods and models to perform, at a concept design level, the feasibility study. In response, this thesis proposes 0D models to assess from the operational profile:1. the tank pressure evolution;2. the gas quality evolution at engine inlet.In the first part, models are proposed to simulate heat leaks into the tanks, LNG vaporization, ageing (the alteration of natural gas thermophysical properties by a differentiate vaporization of its compounds) and methane number evolution at engine inlet. Then, the models are put together and applied on a case study. The ship concept is proposed by a freight company.